Tutkimuksessa on ensimmäistä kertaa suunniteltu toimivia fotonisia aikakiteitä, eräänlaisia erikoismateriaaleja, jotka vahvistavat valoa poikkeuksellisen tehokkaasti.

Saavutuksen takana ovat Aalto-yliopiston, Itä-Suomen yliopiston, Karlsruhen teknillisen instituutin ja Harbinin teknillisen yliopiston tutkijat.

Heidän tuloksensa on juuri julkaistu Nature Photonics -lehdessä.

”Tutkimuksemme haastaa valon ja aineen vuorovaikutuksen hallinnan rajat”, sanoo apulaisprofessori Viktar Asadchy Aalto-yliopistosta.

Läpimurto avaa jännittäviä mahdollisuuksia esimerkiksi viestinnässä, kuvantamisessa ja tunnistustekniikassa jo lähitulevaisuudessa.

Valon vahvistajiksi piipallot

Näkyvän valon taajuudella toimivien fotonisten aikakiteiden kehittäminen on ollut vaikeaa ja aikaavievää.

Tähän mennessä edistyneimmät, saman ryhmän tekemät kokeelliset toteutukset ovat rajoittuneet paljon matalampiin taajuuksiin, kuten mikroaaltoihin.

Tuoreessa tutkimuksessaan ryhmä ehdottaa ensimmäistä käytännön toteutusta, jolla saataisiin aikaan ”aidosti optisia” fotonisia aikakiteitä.

Tutkijat ennustavat, että jos valon vahvistamiseen käytetään pientä piipallojen ryhmää, vaadittavat erityisolot voidaan saavuttaa myös laboratoriossa tunnettujen optisten tekniikoiden avulla.

Nanosensori löytäisi viruksen

Sovelluksia aikakiteille riittää korkean hyötysuhteen valovahvistimista ja kehittyneistä antureista innovatiivisiin laserteknologioihin.

Yksi mahdollinen sovellus ovat nanosensorit. Niillä voitaisiin havaita pieniä hiukkasia, esimerkiksi viruksia, saastuttavia aineita ja syövän biomarkkereita.

”Kun tällainen hiukkanen aktivoituu, se säteilee pienen määrän valoa tietyllä aallonpituudella”, Asadchy kertoo.

”Fotoninen aikakide voi vangita tämän valon ja vahvistaa sitä automaattisesti, mikä mahdollistaa tehokkaamman havaitsemisen nykyisillä laitteilla.”

Ainutlaatuisia optisia materiaaleja

Fotonisen aikakiteen esitteli ensimmäisenä Nobel-palkittu tutkija Frank Wilczek vuonna 2012.

Toisin kuin perinteiset kiteet, joiden rakenteet toistuvat tilassa, fotoniset aikakiteet pysyvät yhtenäisinä tilassa mutta värähtelevät jaksollisesti ajassa.

Ainutlaatuinen ominaisuus luo tilan, jossa valo pysähtyy kiteen sisällä samalla, kun sen voimakkuus kasvaa eksponentiaalisesti ajan myötä.

Valon vuorovaikutuksen erikoisuutta fotonisessa aikakiteessä voi yrittää ymmärtää kuvittelemalla, että valo kulkee väliaineessa, joka vaihtelee ilman ja veden välillä tuhansia biljoonia kertoja sekunnissa.

Lue myös:

Viktar Asadchy on Vuoden nuori tutkija – kehittää uusia keinotekoisia materiaaleja Aalto-yliopistossa